王興龍，許穎，王曉陽，李小燕

(1.中海油石化工程有限公司管道室，山東 濟(jì)南 250101；2.中海油石化工程有限公司儲運(yùn)室，山東 濟(jì)南 250101；3.上海液化天然氣有限責(zé)任公司擴(kuò)建項目部，上海 200020)

1 前言

LNG接收站作為液化天然氣的接收終端，承擔(dān)了液化天然氣的接收、存儲和氣化等功能，為了滿足市場燃?xì)庑枨?，國?nèi)加快了沿海地區(qū)LNG接收站的布局，而在沿海地區(qū)，海水作為最廉價又最容易獲取的流體介質(zhì)，大量用于LNG的氣化換熱和消防。海水中鹵素離子、硫酸鹽離子等濃度非常高，且海水溶氧和海水泥沙的沖刷，給海水管道造成了嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險，海水管道材料的研究越來越受到重視。本文只研究管道內(nèi)部腐蝕。

2 常見海水管道腐蝕

沿海海水含鹽量和含沙量一般較高，以東部沿海某接收站為例，海水累年最高含鹽度34.8%，海水最高泥沙含量4kg/m3以上。海水管道腐蝕常見的主要有：金屬管點(diǎn)蝕、系統(tǒng)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕和海生物腐蝕等。

金屬管道點(diǎn)蝕和系統(tǒng)腐蝕。碳鋼和低合金鋼的成本很低、產(chǎn)量較大，且強(qiáng)度高、韌性好，早期應(yīng)用于沿海工業(yè)項目海水管道。在沒有內(nèi)部防護(hù)措施的情況下，海水含有大量的氯離子、硫酸鹽和碳酸根離子等，在海水的反復(fù)沖刷和氧氣環(huán)境下，碳鋼管道發(fā)生系統(tǒng)的腐蝕，而氯離子和溴離子加速了管道的侵蝕，造成管道大面積失效。不銹鋼管道也廣泛應(yīng)用于海水系統(tǒng)設(shè)備、管道、儀表件等，鹵素離子破壞并穿透不銹鋼管道表面鈍化膜，導(dǎo)致點(diǎn)蝕、穿晶和沿晶應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致蝕坑加深和鋼管開裂[1]。

電化學(xué)腐蝕。海水管道材質(zhì)一般與閥門和設(shè)備的材質(zhì)有區(qū)別，海水閥門常用材料是銅鎳合金、雙相鋼和鋼襯膠，儀表和設(shè)備材料選用鈦材、316系列、蒙耐爾等，管道采用碳鋼內(nèi)襯復(fù)合材料或者不銹鋼等，鋼管內(nèi)襯層破損之后，碳鋼管道基體裸露，不同的金屬電位有不小的差異，在同一電解質(zhì)環(huán)境中，各種因素的組合構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕循環(huán)，如果碳鋼基體的電位較高，碳鋼的腐蝕速度將加快。海水中的氧隨著管道系統(tǒng)的運(yùn)行擴(kuò)散到金屬表面，進(jìn)而氧的去極化作用加劇，也會導(dǎo)致管道的電化學(xué)腐蝕速率加快。

沖刷腐蝕。海水含沙量很高，且部分地區(qū)砂礫的硬度較大，顆粒較大，海水泵口管道、流向急劇變化的管道等，海水和鹽、沙對管道內(nèi)壁會形成較大的沖刷力，管道磨損比較嚴(yán)重，鋼管的表面內(nèi)襯層在海水沖刷下，逐漸減薄鼓泡甚至破損，多處內(nèi)襯層的破損，逐漸導(dǎo)致內(nèi)襯層的剝離。鋼質(zhì)管道如316系列鋼管，鋼管表面致密的氧化膜會在海水沖刷作用下破損，進(jìn)一步導(dǎo)致鋼管腐蝕。

海生物腐蝕。體積較小的近海海生物可能伴隨海水進(jìn)入管道系統(tǒng)，海水中含有一定的溶解氧量，隨著時間的發(fā)展，海生物逐漸變大增多，不僅導(dǎo)致管道內(nèi)部粗糙度增大，增大了流體阻力，而且海生物釋放的二氧化碳和硫化氫等加速了海水系統(tǒng)的腐蝕能力，加速了管道的腐蝕老化。

3 海水管道材質(zhì)分析

3.1 碳鋼表面處理復(fù)合管

碳鋼管道輸送海水介質(zhì)，發(fā)生接觸腐蝕，但如果對碳鋼管道做可靠的內(nèi)防腐處理，既能保證海水系統(tǒng)的有效運(yùn)行，又充分利用碳鋼管道造價低，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。鍍鋅碳鋼鋼管廣泛應(yīng)用于LNG接收站海水消防系統(tǒng)，而鍍鋅又分為熱鍍鋅和冷鍍鋅，熱鍍鋅常見工藝是熱浸鍍鋅，熔融的金屬鋅與碳鋼結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)緊密的鋅合金層，而冷鍍鋅一般鍍鋅層厚度較薄，附著力較差，相對于熱鍍鋅鋼管的使用年限較短，一般不到5年，鍍鋅層就可能出現(xiàn)破損脫落，目前已經(jīng)被國內(nèi)外禁用。

碳鋼內(nèi)部涂敷熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層，一次成膜，與鋼管的粘結(jié)性較好，早期一些工程海水系統(tǒng)參照AWWA C213《給水鋼管的內(nèi)、外層熔化粘結(jié)環(huán)氧涂層》標(biāo)準(zhǔn)對鋼管做內(nèi)防腐處理，并取得了較好的社會效益，國內(nèi)最早的依據(jù)是由中國石油天然氣總公司編制的SY/T0442《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，相對于碳鋼鍍鋅層，其耐磨性和耐蝕性更高，早期應(yīng)用于海洋平臺海水系統(tǒng)、LNG接收站海水系統(tǒng)等鋼管的內(nèi)防腐。碳鋼涂塑管道，如碳鋼內(nèi)部涂覆聚丙烯等防腐層已經(jīng)應(yīng)用于海水系統(tǒng)，并取得了一定的防腐效果，但由于耐沖刷能力低，較少用于LNG接收站海水管道。碳鋼襯膠防腐系統(tǒng)一般應(yīng)用于閥門、儀表件等，由于制造和成型工藝較復(fù)雜，造價相對也較高，很少應(yīng)用于管道內(nèi)防腐。

碳鋼襯水泥砂漿防腐層，早在秦山核電站一期的時候，已經(jīng)應(yīng)用在海水管道上[2]，性質(zhì)較為穩(wěn)定，而且由于海水添加的海生物抑制劑腐蝕性較強(qiáng)，水泥砂漿內(nèi)襯層相對于環(huán)氧襯里、塑料襯里和橡膠襯里的耐用性更高，而且由于水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度高、耐剝離強(qiáng)度更高，耐沖刷能力更好。國內(nèi)早期市政供排水系統(tǒng)和工業(yè)海水系統(tǒng)是依據(jù)美國水行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AWWA C205和AWWA C602，國內(nèi)早期應(yīng)用轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0321和由北京市市政設(shè)計研究院編制的CECS 10:89標(biāo)準(zhǔn)。但水泥砂漿內(nèi)襯層顆粒大、質(zhì)地疏松，粗糙度更高、流體阻力更高，隨著管道系統(tǒng)的運(yùn)行，水泥砂漿層可能出現(xiàn)裂縫、蜂窩狀小洞、粉化等破損類型。

單一的防腐層難以持續(xù)長久的對鋼管進(jìn)行防護(hù)，而碳鋼內(nèi)襯復(fù)合材料配合陰極保護(hù)系統(tǒng)作為聯(lián)合防護(hù)方案，較為廣泛的應(yīng)用于海水系統(tǒng)管道防護(hù)。陰極保護(hù)一般分為犧牲陽極保護(hù)和強(qiáng)制電流保護(hù)，犧牲陽極保護(hù)一般是由電位更低的活潑金屬與被保護(hù)的碳鋼管道相連，管道充當(dāng)原電池的陰極，因此在陽極塊的犧牲下，管道一直處于被保護(hù)的狀態(tài)。強(qiáng)制電流系統(tǒng)是由外加電源提供電子，使管道處于得電子的被保護(hù)狀態(tài)。

3.2 不銹鋼管和雙相鋼管

不銹鋼管在海水淡化等工程中大量應(yīng)用，低碳奧氏體鋼304L由于點(diǎn)蝕速率太快，已經(jīng)極少用于海水系統(tǒng)，而316系列鋼管尤其是316L管道由于鉬等元素的存在和含碳量低等，耐點(diǎn)蝕能力、耐晶間腐蝕能力大幅度提高，目前仍廣泛應(yīng)用LNG接收站海水儀表件、設(shè)備和其他工業(yè)鹽水管道。雙相鋼管道由于存在穩(wěn)定的鐵素體和奧氏體兩相組織，不是僅依靠鋼管表面的鈍化膜來防止鹵素離子侵蝕，雙相鋼耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PRE值更高，但由于造價較高，焊接要求非常高，難以廣泛應(yīng)用，目前主要是用在閥門、設(shè)備等特殊部位。

3.3 銅鎳合金管

目前小口徑(4"及以下)銅合金管在LNG接收站中廣泛應(yīng)用于海水系統(tǒng)，而且展現(xiàn)出了良好的耐蝕性、較小水力學(xué)流體阻力等特性。此外，海洋平臺3"以下的海水管道也廣泛應(yīng)用了銅鎳合金管。銅鎳合金管線膨脹系數(shù)大，焊接要求較高，而且對管道流速的要求較為苛刻[3]，目前主要是應(yīng)用在小口徑海水管道上。

3.4 非金屬管

GRP玻璃鋼管是由玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基體管，具有良好的耐腐蝕性能、內(nèi)壁粗糙度小、水力流體阻力非常小，而且壽命較長，近些年廣泛應(yīng)用于LNG接收站海水管道，設(shè)計使用壓力等級一般不超過PN16。GRP玻璃鋼管道一般分三層，內(nèi)襯防腐層、結(jié)構(gòu)層和外保護(hù)層，內(nèi)襯防腐層一般選用更耐腐蝕的乙烯基樹脂，內(nèi)襯層和外保護(hù)層采用間苯樹脂等，既充分發(fā)揮了乙烯基樹脂的耐蝕性、間苯樹脂良好的機(jī)械強(qiáng)度，又考慮了方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。GRP玻璃鋼管道連接型式多樣，地下管道常用的是雙O型圈承插連接，管道與管件連接多用粘接。GRP玻璃鋼管道相對于碳鋼內(nèi)襯復(fù)合管道，劣勢在于剛度低、強(qiáng)度小、熱膨脹系數(shù)大而且防火效果差，不適合應(yīng)用在LNG地上海水管道，而且對于地基要求高，如果所在地區(qū)地質(zhì)沉降較為嚴(yán)重，必須為GRP玻璃鋼管道的敷設(shè)做好地基。

GRE管結(jié)構(gòu)設(shè)計與GRP管類似，但樹脂采用雙酚A、環(huán)氧氯丙烷等環(huán)氧樹脂，相對于GRP管，GRE管的承壓能力更高，近些年多用于LNG接收站海水消防管。由于防火性能的要求，國內(nèi)GRE廠家還沒有LNG項目的應(yīng)用業(yè)績，目前LNG接收站GRE管的設(shè)計和供貨基本上都被國外廠家壟斷。

4 海水管道防護(hù)

LNG接收站海水管道的設(shè)計和防腐是一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)問題，建設(shè)和設(shè)計單位在工程造價和維護(hù)費(fèi)用中選擇一個平衡，既要保證安全運(yùn)行，盡量延長管道使用壽命，又要考慮造價。碳鋼內(nèi)襯復(fù)合管的內(nèi)襯材料選擇，應(yīng)充分考慮各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)和項目特點(diǎn)，選擇合適的材料。表1是各種管道材料的性能對比，工程設(shè)計人員可以根據(jù)各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)斟酌選用。

表1 各種海水管道材料性能

不銹鋼、經(jīng)過表面處理的碳鋼應(yīng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)配合，為了避免犧牲陽極防護(hù)系統(tǒng)的壽命短、保護(hù)距離短、電位不易控制等不利因素，盡量選擇強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

通過各種海水管道材料的性能分析和比較，對LNG接收站海水管的設(shè)計提供了參考，各接收站可以根據(jù)項目具體情況，結(jié)合各種材料的應(yīng)用經(jīng)驗，選擇合適的材料。